Введение к работе
Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации является проблема энергосбережения. Особое место в решении данной проблемы отводится наружным стенам гражданских зданий. Традиционные строительные материалы – железобетон, газобетон, кирпич и др., применяющиеся для возведения внешних стен жилых зданий, не могут в полной мере эффективно обеспечить снижение потребления энергии. В зарубежной практике одним из решений данного вопроса явилось освоение строительства новых домов и реконструкция старых жилых зданий с применением комбинированной технологии – железобетонный каркас и ограждающая конструкция с применением стеновых панелей на деревянном каркасе с минераловатным утеплителем. Комбинированная технология строительства жилых многоэтажных зданий нашла широкое распространение в США, Канаде, в скандинавских странах – Финляндии и Швеции, а также в Германии, Австрии и Швейцарии. В России строительство подобных жилых домов сдерживается отсутствием научно-обоснованных конструктивных решений, обеспечивающих эксплуатационную надежность, пожарную безопасность и долговечность ограждающих конструкций. Поэтому вопросы разработки и применения эффективных стеновых панелей на деревянном каркасе для ограждающих конструкций зданий с железобетонным каркасом являются актуальными и своевременными.
Степень разработанности проблемы. Разработкой и исследованием стеновых панелей на деревянном каркасе для жилищного строительства в нашей стране начали заниматься в начале 60-х годов прошлого века многие научно-исследовательские, проектные, учебные и производственные организации, главными из которых являлись ЦНИИСК, ЦНИИПромзданий и ЦНИИЭП жилища. Серьезный вклад в развитие теории расчета и практики применения стеновых панелей на деревянном каркасе для зданий из железобетона внесли Линьков И.М. и Казаков И.В. На основании результатов этих исследований были изданы нормативные документы и рекомендации на проектирование и производство стеновых панелей на деревянном каркасе. В различных регионах страны было построено несколько экспериментальных жилых зданий из железобетона с применением таких панелей. Однако дальнейшего широкого применения они не нашли, очевидно, из-за сложной, не технологичной и не долговечной конструкции панелей. Стеновые панели того времени являлись непосредственно внешними ограждающими конструкциями здания и использовались в основном при строительстве сельскохозяйственных и производственных зданий. В качестве обшивок деревянного каркаса применялись преимущественно асбестоцементные листы. Такое положение было обусловлено тем, что Советский Союз занимал первое место в мире по объему производства асбестоцемента. Одним из приоритетных направлений расширения номенклатуры изделий из него являлось освоение производства плоских большеформатных асбестоцементных листов для изготовления из них лёгких стеновых панелей.
С развитием строительства малоэтажных жилых домов и зданий сельскохозяйственного и производственного назначения разработкой и исследованиями ограждающих конструкций заводского изготовления на деревянном каркасе занимался ряд исследователей: Ф.П. Белянкин, В.В. Большаков, Е.М. Знаменский, В.А. Иванов, Ю.М. Иванов, Г.Г. Карлсен, М.Е. Коган, В.М. Коченов, Д.А. Кочетков, Н.Л. Леонтьев, А.Р. Ржаницын, В.Н. Быковский, Н.П. Абовский, В.Б. Касаткин Е.И., Светозарова, Е.Н. Серов, С.Б. Турковский, А.Б. Губенко, Р.Б.Орлович, Б.К. Михайлов, А.Б. Шмид, И.С. Инжутов С.А. Корзон, Жаданов В.И., Кавелин А.С., Тисевич Е.К., Украинченко Д.В.и др., работы которых учтены в диссертации.
Зарубежный опыт показал, что возведение ограждающих конструкций здания с применением унифицированных стеновых панелей заводского изготовления более эффективно по сравнению со сборкой их в строящемся здании. В этом случае сокращаются сроки закрытия теплового контура во время и после сборки несущего каркаса здания и снижаются затраты на его возведение. Стеновые панели на деревянном каркасе целесообразно применять в составе многослойной ограждающей конструкции, включающей наружное утепление панели, утепление торцов железобетонных стен и перекрытий, и фасадную систему с вентилируемым зазором. В этом случае стеновая панель может быть ненесущая, с опиранием на железобетонное перекрытие (вставляемая между железобетонными конструкциями). Это позволяет упростить заделку монтажных швов, более эффективно обеспечить требуемые противопожарные рассечки, теплофизические характеристики, защиту от шума и требуемую долговечность ограждающей конструкции.
Специальных исследований, направленных на повышение эффективности ненесущих стеновых панелей на деревянном каркасе в составе многослойных ограждающих конструкций железобетонных зданий, в нашей стране не проводилось. Отсутствуют исследования по оценке прочности и жесткости панелей при соединении обшивок современными металлическими скобами. Не установлен рациональный шаг установки скоб. Не проводились исследования узлов крепления таких панелей с конструкциями железобетонного каркаса зданий.
Основная научная гипотеза: применение стеновых панелей на деревянном каркасе способствует наиболее эффективному повышению теплофизических характеристик ограждающих конструкций здания с железобетонным каркасом при обеспечении нормативных эксплуатационных и противопожарных требований.
Цель работы: повышение эффективности ненесущих панелей на деревянном каркасе в составе многослойных ограждающих конструкций многоэтажных зданий из железобетона.
Объектом исследования являются ненесущие стеновые панели на деревянном каркасе и узлы их крепления к железобетонным конструкциям
здания.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка и обоснование конструкции стеновой панелей на деревянном каркасе и узлов её крепления к железобетонным элементам здания в составе многослойных наружных ограждающих конструкций;
исследование прочности и жесткости стеновых панелей на деревянном каркасе при использовании металлических скоб для крепления обшивок;
разработка методики расчёта и испытания узлов крепления стеновой панели к железобетонным конструкциям здания;
исследование теплофизических характеристик ограждающих конструкций здания с применением стеновых панелей на деревянном каркасе.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
- разработаны конструктивные решения по повышению огнестойкости ограждающих конструкций со стеновыми панелями на деревянном каркасе,
позволяющие обеспечить пожарные требования для зданий высотой до 75м;
- разработана методика определения рационального шага крепления обшивок к каркасу стеновой панели металлическими скобами, учитывающая податливость связей обшивки с деревянным каркасом;
- разработаны методики расчета и испытания на прочность и жесткость стеновой панели на деревянном каркасе как составного элемента на податливых связях при воздействии ветровых нагрузок;
- разработан алгоритм расчёта усталостной прочности стальных уголков, применяемых для крепления стеновой панели к железобетонным конструкциям здания, от циклических ветровых нагрузок;
- доказана эффективность повышения теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий из железобетона за счёт применения стеновых панелей на деревянном каркасе.
Практическое значение заключается в том, что результаты исследований расширяют область применения панелей на деревянном каркасе в строительстве многоквартирных жилых домов, дают обоснованные методики расчёта и испытаний панелей и узлов их крепления к железобетонным элементам зданий.
Внедрение результатов работы. Результаты исследований по разработке и обоснованию конструкции стеновой панели на деревянном каркасе для многоэтажных зданий из железобетона внедрены в производстве ООО « ДСК «Славянский». За период 2010…2012 годы предприятие изготовило около 43 тыс. панелей с оконными и/или дверными проёмами. Стеновые панели на деревянном каркасе и узлы их крепления применяются в составе многослойных наружных ограждающих конструкций многоэтажных жилых зданий из железобетона с вентилируемым фасадом и облицовкой керамогранитными плитами при строительстве жилого комплекса «Славянка» (СПб, г. Пушкин). За период 2010…2012 годов построено и сдано в эксплуатацию более 500 тыс. кв. м жилой площади.
Достоверность результатов обеспечивается корректным использова-нием научных положений в области строительной механики и теплофизики, использованием стандартизированных методик прочностных и теплотехнических расчётов в строительстве; применением современных средств научных исследований с использованием сертифицированных приборов; приемлемой сходимостью результатов эксперимента с теорией; заключениями научно-исследовательских институтов и организаций, аккредитованных в системе ГОСТ Р.
Апробация и публикация работы. Основные результаты докладывались: на научно-практической конференции «Теория. Практика. Эксперимент», в честь Юбилея кафедры конструкции из дерева и пластмасс СПбГАСУ, 2010г.; на международной конференции Лонглайф 2010 г. «Энергосберегающие, жизнеустойчивые жилые здания, возведенные с учетом европейских стандартов и инновационных технологий в странах региона Балтийского моря»; на IV съезде-конгрессе ассоциации деревянного домостроения 25-26ноября 2010г.; на международном семинаре девятой Домашней Выставки «ФАЭТОН’11» 10 февраля 2011г.; на V Международном съезде ассоциации деревянного домостроения 15-16 декабря 2011г.; на международной научно-практической конференции студентов аспирантов, молодых учёных и докторантов «Актуальные проблемы строительства и архитектуры», СПбГАСУ, 2012г; на международном конгрессе, посвящённом 180-летию СПбГАСУ «Наука и инновации в современном строительстве - 2012».
Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах, в том числе 3 работы в журналах, входящих в перечень ВАК, получен патент на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и приложения. Общий объем без приложения составляет 166 страниц машинописного текста, в том числе 74 рисунка, 20 таблиц. Приложение содержит 62 страницы.
Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи исследований, научная и практическая значимости.
В первой главе «Состояние вопроса» выполнен анализ зарубежной практики применения стеновых панелей на деревянном каркасе в составе ограждающих конструкций жилых зданий с железобетонным каркасом, рассмотрены конструкции стеновых панелей и узлы их крепления к железобетонным элементам здания, проведён анализ зарубежных и отечественных исследований, приведены современные требования к наружным ограждающим конструкциям по пожарной опасности, по тепловой защите, по защите от шума, по долговечности и безопасности.
Вторая глава «Разработка конструкции ненесущей стеновой панели на деревянном каркасе и узлов её крепления к железобетонным элементам здания в составе многослойных наружных ограждающих конструкций» посвящена выбору и обоснованию унифицированной конструкции стеновой панели на деревянном каркасе и узлов её крепления к железобетонным элементам здания. Проводится рациональный выбор листовых материалов для обшивок панелей по показателям, определяющим их свойства, и исследуется влияние материала обшивки на жёсткость панели. Обосновывается применение стеновой панели в составе многослойных ограждающих конструкций. Рассматриваются ограждающие конструкции, включающие наружное утепление стеновых панелей и вентилируемые фасады с облицовкой кирпичной кладкой на относе и с навесной фасадной системой, закреплённой к торцам железобетонных перекрытий и облицовкой керамогранитными плитами. Приводятся конструктивные решения, обеспечивающие выполнение требований по пожарной безопасности многослойной ограждающей конструкции с применением стеновых панелей на деревянном каркасе.
Третья глава «Исследование прочности и жесткости стеновых панелей на деревянном каркасе при использовании металлических скоб для крепления обшивок» посвящена исследованиям прочности и жесткости стеновых панелей на деревянном каркасе при воздействии положительного и отрицательного ветрового давления. Проводится расчёт ветровых нагрузок, действующих на стеновую панель. Определяется рациональный шаг установки скоб при креплении обшивок к каркасу стеновой панели. Исследуется работа панели с учетом податливости связей обшивки. Определяются коэффициенты для расчёта стеновых панелей с учётом податливости соединения деревянного каркаса и обшивок скобами. Исследуется возможность применения метода конечных элементов для расчёта несущей способности стеновых панелей по I и II группам предельных состояний с учётом совместной работы каркаса и обшивки на податливых связях.
Четвёртая глава «Расчёты и исследования узлов крепления стеновой панели к железобетонным конструкциям здания» посвящена расчётам и исследованиям узлов крепления стеновой панели к железобетонным конструкциям здания при воздействии ветровых нагрузок. Приводятся методика расчётов крепления панели стальными уголками и методика испытаний узлов крепления этими уголками на ветровые нагрузки и их результаты. Проводится расчёт усталостной прочности стальных уголков от местных напряжений при воздействии ветровых нагрузок.
В пятой главе «Исследование теплофизических характеристик многослойных ограждающих конструкций со стеновыми панелями на деревянном каркасе» приводятся расчёты по определению температуры и скорости движения воздуха в воздушной прослойке, влажностного режима ограждающих конструкций в многолетнем цикле эксплуатации. Приводятся расчёты по проверке насыщения воздуха в воздушной прослойке водяным паром и расчеты теплофизических характеристик ограждающих конструкций с учётом теплотехнических неоднородностей. Расчёты приводятся для ограждающих конструкций с воздушной прослойкой и облицовкой кирпичной кладкой на относе и с облицовкой керамогранитными плитами.
В заключении приводятся основные выводы по диссертации и технико-экономические показатели внедрения результатов работы.
В приложении приводятся копии документов, выданных сторонними организациями: справка о внедрении результатов диссертационной работы; пожарные заключения ФГБУ ВНИИПО МЧС России; протоколы испытаний образцов ограждающей конструкции на приведённое сопротивление теплопередаче и звукоизоляцию; протоколы испытаний стеновой панели и узлов её крепления на ударные и ветровые нагрузки.
